海洋监测技术 10海洋遥感监测技术

2 海洋卫星遥感监测的特点
• 不受地理位置、天气和人为条件的限制，可以覆盖地理位置偏远、 环境条件恶劣的海区及由于政治原因不能直接去进行常规调查的 海区。卫星遥感是全天时的，其中微波遥感是全天候的。 • 卫星遥感能提供大面积的海面图像，每个像幅的覆盖面积达上千 平方公里，对海洋资源普查、大面积测绘制图及污染监测都极为 有利。 • 卫星遥感能周期性地监视大洋环流、海面温度场的变化、鱼群的 迁移、污染物的运移等。 • 卫星遥感获取的海洋信息量非常大。
• 目前利用HY-1A卫星资料已能够较准确地提供大洋和远海 的叶绿素分布，对了解该海域海洋生态环境和海洋生物资源 具有重要的科学意义。
• 通过对各大河口和重点海域的监测，获取了黄河口、长江 口和珠江口等重要河口悬浮泥沙分布、近岸二类水体特征等 海洋水色基础信息，为开展海洋科学研究、海洋功能区划和 海域使用管理提供了较为丰富的基础数据。
遥感
观测物质或近地目标从紫外线到微波的某些波长的电磁发射现象
运用现代的运载工具和电子、光学仪器以主动和被动方式接受地 （水） 表或其以下一定深度处的研究对象发射或反射从紫外线到微 波的, 能通过大气的某些波段的电磁波信息, 经过加工处理, 获得研究 对象的有用信息, 达到探测目标物的整个信息的接收、传输、处理和 应用处理。
目前用于海洋研究的传感器有： ➢ 海色传感器：主要用于探测海洋表层叶绿素浓度、悬浮质浓 度、海洋初级生产力、漫射衰减系数以及其他海洋光学参数。 ➢ 红外传感器：主要用于测量海表温度。 ➢ 微波高度计：主要用于测量平均海平面高度、大地水准面、 有效波高、海面风速、表层流、重力异常、降雨指数等。 ➢ 微波散射计：主要用于测量海面10m处风场。 ➢ 合成孔径雷达：主要用于探测波浪风向谱、中尺度漩涡、海 洋内波、浅海地形、海面污染以及海表特征信息等。 ➢ 微波辐射计：主要用于测量海面温度、海面风速以及海冰水 汽含量、降雨、C海-气交换等。
海洋卫星
• 海洋遥感始于第二次世界大战期间。 • 1950年美国使用飞机与多艘海洋调查船协同进行了一次系统的大规模
湾流考察，这是第一次在物理海洋学研究中利用航空遥感技术。 • 从航天高度上探测海洋始于1960年。 • 美国1978年又发射了“海洋卫星-1”号。苏联也于1979年和1980年先
后发射了两颗海洋卫星“宇宙-1076”号和“宇宙-1151”号。 • 中国从1977年开始海洋遥感技术的研究。在海岸带与滩涂资源调查、
HY-1A 卫星辽东湾发现赤潮，绿色条状为赤潮区 （2002年6月15日，1、2处为赤潮）
HY-1 卫星水色扫描仪在长江口发现赤潮 遥感6/8/2通道合成实况
红色点为遥感反演得到的赤潮区
（2）遥感海上溢油监测 • 溢油事故往往造成大面积海域污染，造成严重的生态破坏，
引起了各国政府的重视。 • 世界各国都积极参与海上溢油的监视和遥感监测。 • 基本方法就是航空遥感、卫星遥感和雷达遥感监测。
利用HY-1A卫星资料进行海面污染监测是HY-1A卫星的 重要任务之一，国家卫星海洋应用中心与国家海洋局北海 分局建立了HY-1A卫星海洋污染监测应用示范系统，现已 取得了阶段性成果。
HY-1A卫星的CCD成像仪具有高空间分辨率和信噪比，利用 它的较高清晰图像监测数据可以对我国的三大河口污染状 况进行监测。
利用HY-1卫星遥感数据，可以得到海洋初级生产力的时空分布 状况，为海洋渔业提供渔业环境信息服务，为海洋养殖业资源状况
和环境质量以及海洋生物资源的合理开发与利用提供科学数据；利 用HY-1卫星的高分辨率数据，可以对海洋赤潮、溢油污染、海冰冰 情和海岸带与河口悬浮固体进行动态监测，为海洋环境监测与保护、 海洋工程提供基础信息。
雷达遥感监测
• 用于溢油和环境探测的雷达主要有两种，即合成孔径雷达 (SAR)和侧视机载雷达(SLAR)。后者是一种传统式雷达， 造价较低，它的空间分辨率与天线长度有关。而合成孔径 技术，则是利用多普勒效应原理，依靠短天线达到高空间 分辨率的目的。
目前合成孔径雷达在海面溢油监测中发挥重要作用。 合成孔径雷达发射的电磁波与海面相互作用，从而对
图6 海洋卫星监测到的西北太平洋及印度洋（部分）叶 绿素分布图
图7 HY－1A卫星反演的黄河口悬浮泥 沙分级图
图8 HY－1A卫星反演的海温实 况图
HY－1A卫星反演的珠江口悬浮泥沙分级 图
海表温度是海洋环境非常重要的基础信息。 • HY-1A卫星水色扫描仪配备了2个热红外通道，在获取海
面水色信息的同时，具备了获取海面温度的能力。 • 利用HY-1A卫星数据反演获得的海面温度正在海洋环境预
卫星遥感监测
卫星遥感具有监测范围大、方便、费用低、图像资料 易于处理和解译等特点。因此受到人们的重视。
国外开展的航天溢油探测应用研究可追溯到20世纪70年代。 1972年至1975年美国与欧洲国家合作，用美国陆地资源卫星 的资料，对地中海石油污染进行了总体监测，确定了污染面 积、污染速度和扩散方向；1980年美国分别在卫星平台和航 空平台上，对海上油污的波谱特性进行了大量的基础研究。 1985年美国利用卫星影像，对弗吉尼亚州阿萨蒂格岛东南海 域100公里长的油膜进行了监测试验，估算了污染面积，推 断了油污来源。1998年美国海洋与大气管理局利用欧洲遥感 卫星合成孔径雷达成功监测了波斯湾战争期间原油溢油。 但卫星遥感成像比例尺小，地面分辨率低，一定程度限制了 污染监测的应用效果。
COCTS 海洋水色扫描仪主要用于海洋水色和海温的探测，有8 个可见光与近红外通道和2个热红外通道，空间分辨率1.1km，每行 1024个像元，量化级数10bit，各波段间的像元配准小于0.3个像元。 表6.1是COCTS传感器的技术指标。
• 10.3.4 海洋灾害监测与预报 （1）海洋赤潮污染监测
被动式： 可见 红外扫描辐射计(radiometer)， 微波辐射计(microwaveradiometer)。
主动式： 微波高度计(MicrowaveAltimeter) （垂直下视） 微波散射计(MicrowaveScatterometer)（侧视） 合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)(侧视合成）等
• 渔民可以根据长期的捕捞经验对鱼类在某些区域集群做出 判断，但根据这些经验所指示出的渔场范围有限，而且需 要有丰富的经验才能做出正确的判断。
• 卫星遥感可以实现对海洋信息大范围、高精度全天侯的同 步采集，在渔场环境分析和渔情分析预报方面有极大的优 势。
10.3.2 卫星遥感海洋水色环境监测
原理：水体及其污染物的光谱特性是利用遥感信息进行水环 境监测和评价的依据。
海洋环境监测、海冰观测、海洋气象预报、海洋渔场分析、大尺度海 洋现象研究和基础理论工作中进行了遥感技术的试验，其中台风跟踪、 海冰遥感和海洋环境污染航空遥感监测已进入实用阶段。
海洋卫星
• 通过卫星遥感获得数据 , 再结合海洋水温水深、 海流、海底地形、盐度、溶解氧等海洋要素的电 磁波特性，可以对海底地形、海洋水温气象因素 和海洋生物进行深入的研究，从宏观上了解海洋 生态系统的动态变化，为海洋研究提供了新的技 术手段，开拓了新的研究领域。
10. 海洋遥感监测技术
• 常规的海洋观测手段时空尺度有局限性，因此不可能全面、 深刻地认识海洋现象产生的原因，也不可能掌握海洋尺度 或全球大洋尺度的过程和变化规律。
• 海洋光学遥感应用技术是利用航天、航空遥感器测量海洋 水体的可见光和近红外的光谱信息来提取海洋的叶绿素、 悬浮泥沙和黄色物质以及其它污染物质等水色因子，为海 洋环境监测与海洋资源开发服务。
航空遥感监测
航空遥感监测具有灵活、机动的优势，是世界发达国家进 行海洋监测的重要手段，也是事故监测工作中使用最多而 且有效的技术。 最常使用的遥感器是红外/紫外(IR/V)扫描仪、合成孔径雷 达(SAR)、侧视孔径雷达(SLAR)以及微波辐射计等。
虽然航空遥感监测能够实施实时监测，但费用高，而 且在远离海岸地区无能为力，很难达到业务化监测要求， 同时也受天气的制约，而大多数事故都是在天气恶劣的情 况下发生的，这对飞机安全造成了威胁。
海面波浪成像。 溢油在海面形成的油膜，对海面重力毛细波产生阻
尼作用，因此有油膜的海面比没有油膜的海面光滑，在 合成孔径雷达图像上呈低散射区。
如果海面存在油膜，在风速和波浪高度合适的情况 下，合成孔径雷达能够探测海面油膜。
（3）卫星遥感海冰监测
HY-1A卫星具有较强的监测海冰能力，利用HY-1A卫星 资料，可反演出海冰厚度、海冰外缘线、海冰密集度和海 冰温度等信息。国家海洋环境预报中心在海冰预报业务中， 使用HY-1A卫星数据建成了海冰预报。
报、赤潮监测、渔场环境分析等方面得到广泛应用。
经过云替补处理的HY－1A卫星反演的海温伪彩色图
HY-1A卫星CCD监测到的辽东湾赤潮 发生区域
HY－1A卫星CCD监测到的黄河口 污染区域
海洋一号卫星（HY-1） HY-1卫星是我国第一颗应用于海洋水色遥感和海洋环境监测的
海洋卫星，星上有效载荷为一台10波段COCTS水色扫描仪和一台4 波段CCD成像仪。COCTS主要用于探测海洋水色要素（包括叶绿素 浓度、悬浮固体含量和可溶有机物等）和海洋表面温度分布；CCD 成像仪主要用于获取海岸带的图像资料，对海岸带地区的资源和植 被进行动态监测。
海洋遥感系统具备性能： ①具有同步、大范围、实时获取资料的能力，观测频率高。 这样可把大尺度海洋现象记录下来，并能进行动态观测和海 况预报。 ②测量精度和资料的空间分辨能力应达到定量分析的要求。 ③具备全天时(昼夜)、全天候工作能力和穿云透雾的能力。 ④具有一定的透视海水能力，以便取得海水较深部的信息。
目前常用的海洋卫星遥感仪器主要有雷达散射计、雷达 高度计、合成孔径雷达、微波辐射计及可见光／红外辐 射计海洋水色扫描仪等。
雷达散射仪 合成孔径雷达
雷达高度计图片
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ波辐射计
10.3 海洋卫星遥感监测应用技术
10.3.1 卫星遥感在海洋渔业的应用
• 海洋中的生物及其周围的环境是海洋生态系统中的统一有 机体。
传感器分类
遥感器，也称传感器，是指接收目标辐射或反射电磁波信息的 仪器。
遥感技术采用的电磁波包括可见光(visiblelight)、红外(infrared)、 微波(microwave)。 可见光谱范围在0.4—0.7μm，红外波谱在1—100μm，微波光谱 在1.8cm—6m(对应波段：0.3—100GHz)。 传感器按工作方式分为主动式(active)和被动式(passive)。
卫星遥感观测系统组成
空间平台：装载传感器的空间运载工具，包括人造卫星(manmadesatellite) 卫星传感器：根据电磁辐射(electromagneticradiation)原理获取海洋 信息。 数据传输系统：星载传感器通常产生测量电压或频率(frequency)信号， 大部分以数字信号形式传输到地面接收站。 地面接收站： 数据处理系统：对卫星轨道和仪器校正。 数据分发系统：行政性组织机构，将数据分到科学家手里。
不同种类和浓度的污染物使水体在颜色、密度、透明度和 温度等方面产生差异，导致水体反射波谱能量发生变化，根 据遥感图像在色调、灰阶、纹理等特征上反映的影像信息的 差别，从而识别出污染源、污染范围、面积和浓度。
叶绿素分布是与海洋初级生产力、海水富营养化、赤潮等密 切相关的指标，也是研究全球气候变化的重要依据。
遥感技术的特点
获取信息的范围大; 资料新颖, 能讯速反映动态变化; 获取的信息内容丰富, 可以同时取得不同的目标特征。若把几个 波段合成为假彩色相片, 就能增强和突出其中的某些图像信息, 提高人们对图像的判断能力。 成图迅速。由于卫星离地面较远, 卫星摄影接近正射投影, 所以地 表每一点似乎都在卫星的垂直平面上, 因而可提高成图工效; 获取信息方便, 不受地形限制. 对于高山冰雪、戈壁沙漠、 海洋等地区, 一般方法不易获得的资料, 卫星像片则可以获得大量有 用的资料. 同时, 卫星还可以不受任何政治、地球条件的限制, 覆盖 地球的任何一角和整个地球。